​​​​​​​Pressemitteilungen ​​​​​​ ​

Für eine digitale Rückmeldung zum Lernprozess verwendet Drachslers Forschungsrichtung „Learning Analytics“ (LA) die Prozessdaten, die die Studierenden bei jedem Zugriff auf einem Computersystem hinterlassen. Diese Logdateien gleichen Spuren im Hintergrund, die aussagekräftige und auswertbare Informationen enthalten. Das sind neben Aktivität, Datum und Uhrzeit auch inhaltliche Angaben, die mit einer entsprechenden Software ausgewertet werden können. Ein vergleichbares Beispiel für eine solche Datenanalyse ist der Flugschreiber, dessen Auswertung nach einem Unfall Rückschlüsse auf die Abläufe im Cockpit zulässt.

Eine häufig im Lehrbereich verwendete Plattform ist beispielsweise „moodle“. Dort hinterlassen Schüler oder Studierende mit jeder Aktion – Downloads, Posts, Fragen oder Nachrichten – ihre Logdaten und damit auswertbare Informationen. „Diese Daten dürfen wir nutzen, solange sie anonym sind“, erklärt Drachsler den datenschutzrechtlichen Hintergrund. Häufig sei es aber sinnvoll, eine Einwilligung zu erbitten, um auch eine persönliche Analyse und damit personalisierte Hilfestellungen zu ermöglichen.

Lernen in zehn oder zwanzig Jahren wird ein Umdenken erfordern, ist sich der Informatiker sicher: „Wir müssen uns von einer Assessment-Kultur, also vom Hochleistungsdenken, zu einer Feedback-Kultur weiterentwickeln.“ So könne viel früher eingegriffen und Frust und zielloses Pauken vermieden werden. Die Hochschulen seien prädestiniert, hier voranzugehen. In den Schulen seien LA-Anwendungen auch aufgrund der sensitiven Daten von Minderjährigen problematisch.

Damit auch die Datensicherheit ausreichend Beachtung findet, prägte Drachslers Arbeitsgruppe den Begriff „Trusted Learning Analytics“. Zusammen mit der TU Darmstadt hat seine Arbeitsgruppe einen Verhaltenskodex für Universitäten erstellt. „Es ist uns ganz wichtig, dass wir hier nicht ‚big brother' spielen, sondern die Studierenden unterstützen.“ Die entsprechenden Anwendungen sollten als Open Source und Open Educational Ressource öffentlich zur Verfügung stehen. Denn vieles auf dem Digitalmarkt sei schon fest in der Hand der großen US-Konzerne – wie etwa die Tools zur Spracherkennung. „Damit wandern viele Daten aus dem Bildungsbereich zu privaten Firmen ab“, warnt Drachsler und fordert kontrollierte EU-eigene Server und die notwendigen Fördermittel für den Aufbau unabhängiger europäischer Systeme und Plattformen.

 
Die aktuelle Ausgabe von „Forschung Frankfurt“ (1/2020) kann von Journalisten kostenlos bestellt werden bei: ott@pvw.uni-frankfurt.de.

Im Web: www.forschung-frankfurt.de. Unter www.aktuelles.uni-frankfurt.de/forschung-frankfurt-englisch finden Sie ausgewählte Beiträge in englischer Übersetzung.

FRANKFURT. Wenn alle das nutzen, wird es schon nicht so schlimm sein – beim Handy- und Computergebrauch auf „Schwarmintelligenz“ zu setzen, ist nicht unbedingt eine gute Idee. „Denn wir wissen zum einen nicht, wer unsere Daten hat, wir wissen aber auch nicht, was über uns gewusst wird – und was mit diesem Wissen unternommen wird“, so die Frankfurter Datenrechtsexpertin Prof. Indra Spiecker in einem Beitrag im Wissenschaftsmagazin „Forschung Frankfurt“ der Goethe-Universität. Schwerpunktthema der gerade erschienenen jüngsten Ausgabe ist die digitale Transformation. Nur ein Zusammenspiel zwischen Rechtswissenschaft und Informatik, so die Direktorin der Forschungsstelle Datenschutz an der Goethe-Universität Frankfurt, könne Einzelne und bestimmte gesellschaftliche Gruppen vor Diskriminierung schützen.

Wie soll ein Hotelgast, der aus einem bundesweit bekannten Problemviertel stammt, wissen, dass ihm ein Hotelzimmer zu einem höheren Preis angeboten wird als jemandem aus einem bürgerlichen Viertel? Nicht immer sind es konkrete Daten zu einer bestimmten Person, die zu einer Benachteiligung führen können. Moderne Datenauswertung mithilfe künstlicher Intelligenz arbeite längst damit, so Spiecker, „den Einzelnen Gruppen zuzuordnen und ihn nach den Kriterien der Gruppe zu beurteilen. Auf dieser Basis werden dann Preise für Produkte je nach Zielgruppe variabel bestimmt.“

Dabei kommt es nicht immer zu einer „Diskriminierung im juristischen Sinne“, erklärt die Professorin für Öffentliches Recht, Informationsrecht, Umweltrecht und Verwaltungswissenschaften. Diskriminierung könne auch verdeckt erfolgen – indem Ersatzkriterien gewählt werden, die vordergründig in keinem Zusammenhang mit Zuordnungen wie Geschlecht, Rasse, Herkunft oder Religion stehen. Die aber denselben Effekt haben. Solche Ersatzkriterien sind mit Hilfe digitaler Technik leicht zu finden – aber von Datenschützern schwer aufzudecken. So liegt es nicht auf der Hand, dass die Vorliebe einer Fernsehzuschauerin für eine bestimmte Serie ihre Kreditwürdigkeit senkt. Der wirklichen Ursache für die Benachteiligung ist kaum auf den Grund zu kommen, rechtliche Schritte dagegen sind folglich unmöglich.

Rechtswissenschaftlerin Spiecker plädiert deshalb für ein „enges Zusammenspiel von Technologie und der Werteordnung des Rechts“: Es müssten technische Lösungen gefunden werden, die rechtlichen Anforderungen entsprechen. Und umgekehrt müssten rechtliche Anforderungen so formuliert werden, dass sie technische Lösungen akzeptieren könnten. Auch müsse vom konkreten Programmierer oder seinem Unternehmen mehr Verantwortung eingefordert werden.

Hat der Einzelne dennoch eine Chance, sich vor dem ungewollten Datenabfluss zu schützen? „Was immer hilft“, sagt Spiecker im Interview mit „Forschung Frankfurt“, „ist die Macht der Masse.“ Wer seinem Kind nicht beibringe, „google das mal“, als ob es keine alternativen Suchmaschinen gäbe, oder beim Fernsehkauf nicht nur „toll, internetfähig!“ ausrufe, sondern auch mal nachhake, wer denn sonst noch von den familiären Sehgewohnheiten erfahre, trage dazu bei, dass Märkte sich verändern. Jeder intelligente Nutzer, der sein Verhalten ändere, könne etwas bewirken.

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FRANKFURT/JENA. Eine Art Köder, um gezielt Proteinkomplexe aus Mischungen fischen zu können, hat ein interdisziplinäres Team aus Frankfurt und Jena entwickelt. Dank dieses „Köders“ ist das gewünschte Protein wesentlich schneller für die weitere Untersuchung im Elektronenmikroskop verfügbar. Diese neuartige Schicht aus hauchdünnem molekularen Kohlenstoff taufte das Forschungsteam „smartes Nanoblatt“. Mit Hilfe der Neuentwicklung lassen sich beispielsweise Krankheiten und deren Behandlung mit Medikamenten besser verstehen.

„Mit unserem Verfahren lassen sich innerhalb einer Woche neuartige Proteine aus Mischungen isolieren und charakterisieren“, erklärt Daniel Rhinow vom Frankfurter Max-Planck-Institut für Biophysik. „Bisher war alleine die Isolierung der reinen Proteine oft Teil einer mehrjährigen Doktorarbeit“. Zusammen mit Andreas Terfort (Goethe-Universität Frankfurt) und Andrey Turchanin (Friedrich-Schiller-Universität Jena) entstand vor einigen Jahren die Idee, die gewünschten Proteine direkt aus Mischungen herauszufischen, indem man ein Nanoblatt mit Erkennungsstellen ausrüstet, an die das Zielprotein bindet. Nun ist es den Wissenschaftlern gelungen, Proteine dank eines „smarten Nanoblatt“ umgehend für eine Untersuchung im Kryo-Elektronenmikroskop zugänglich zu machen.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie basiert auf dem Schockgefrieren einer Probe bei Temperaturen unter -150 Grad Celsius. Dabei behält das Protein seine Struktur, störende Fixierungs- oder Färbemittel sind nicht nötig, und die Elektronen können das vereiste Objekt leicht durchstrahlen. Es entstehen hochaufgelöste dreidimensionale Aufnahmen kleinster Strukturen – etwa von Viren und DNA, bis fast hinab zur Größenordnung eines Wasserstoffatoms.

Zur Vorbereitung werden die Proteine in einer äußerst dünnen Wasserschicht auf einem winzigen Metallnetz schockgefroren. Bislang mussten die Proben vor einer elektronenmikroskopischen Untersuchung aufwendig und oft unter großen Verlusten gereinigt werden. Nur wenn lediglich eine Sorte von Proteinen in der Wasserschicht gebunden ist, ist die elektronenmikroskopische Untersuchung erfolgreich.

Die Gruppe um Turchanin setzt nun Nanoblätter ein, die lediglich einen Nanometer dünn sind und aus einer vernetzten molekularen selbst-organisierenden Monoschicht bestehen. Dieses Nanoblatt versieht Terforts Arbeitsgruppe mit einem Gelbildner als Grundlage für den zum Gefrieren notwendigen dünnen Wasserfilm. Daran binden die Forscher eine Erkennungsgruppe (eine spezielle Nitriloessigsäure-Verbindung mit Nickelionen). Das Team um Rhinow nutzt die so präparierten „smarten Nanoblätter“, um gezielt Proteine aus einer Mischung zu fischen. Sie wurden vorab mit einer Histidin-Kette markiert, mit der sie an die Erkennungsgruppe binden; alle anderen störenden Teilchen lassen sich abspülen. Das Nanoblatt mit dem gebundenen Protein kann anschließend direkt mit dem Elektronenmikroskop untersucht werden.

„Unsere smarten Nanoblätter sind besonders leistungsfähig, weil die Hydrogelschicht den notwendigen dünnen Wasserfilm stabilisiert und gleichzeitig die unspezifische Bindung störender Teilchen unterdrückt,“ erklärt Julian Scherr von der Goethe-Universität. „Damit kann die molekulare Strukturbiologie nun viel schneller Proteinstrukturen und -funktionen erforschen“. Mit daraus gewonnenen Erkenntnissen lassen sich beispielsweise Krankheiten und deren Behandlung mit Medikamenten besser verstehen.

Das Team hat sich die neuen Nanoblätter patentieren lassen und auch schon einen Hersteller gefunden, der dieses hilfreiche Werkzeug auf den Markt bringen wird.

Publikation: Smart Molecular Nanosheets for Advanced Preparation of Biological Samples in Electron Cryo-Microscopy, ACS Nano 2020, https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03052

Julian Scherr, Zian Tang, Maria Küllmer, Sebastian Balser, Alexander Stefan Scholz, Andreas Winter, Kristian Parey, Alexander Rittner, Martin Grininger, Volker Zickermann, Daniel Rhinow, Andreas Terfort und Andrey Turchanin; Abteilung Strukturbiologie, Max-Planck-Institut für Biophysik, Max-von-Laue-Str. 3, 60438 Frankfurt am Main; Fakultät für Biochemie, Chemie, Pharmazie, Goethe-Universität Frankfurt, Max-von-Laue-Str. 7, 60438 Frankfurt am Main; Institut für Physikalische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lessingstr. 10, 07743 Jena

Ein Bild zum Download finden Sie unter: www.uni-frankfurt.de/90123573

Bildtext: Das neue Nanoblatt-Verfahren: Der zu untersuchende Proteinkomplex (gelb) wird mithilfe einer Markierung (rote Kette mit Fünfecken) über einen Nickelkomplex an das smarte Nanoblatt gebunden. Unerwünschte Proteine (grau) werden durch das Hydrogel (schwarzes Geflecht) abgestoßen. Nach dem Einfrieren des gesamten Gebildes inklusive eines dünnen Wasserfilms kann es mit Elektronen durchleuchtet werden, um Bilder der gebundenen Proteine zu erhalten. Daraus kann ein Computer die 3D-Struktur des Proteins berechnen.

Informationen: Univ.-Prof. Dr. Andreas Terfort, Institut für Anorganische und Analytische Chemie, Telefon +49-69-798-29181, E-Mail aterfort@chemie.uni-frankfurt.de, https://www.uni-frankfurt.de/53459866/terfort

Univ.-Prof. Dr. Andrey Turchanin, Institut für Physikalische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Lessingstr. 10, 07743 Jena, andrey.turchanin@uni-jena.de,, +49-3641-48370, www.apc.uni-jena.de

Die weiteren Themen im UniReport 4/Juli 2020:

• „Ich lade alle Mitglieder unserer Universität zur Zusammenarbeit ein“: Prof. Enrico Schleiff tritt sein Amt als Präsident der Goethe-Universität am 1. Januar 2021 an.

• Nordöstliche Campusseite nimmt Form an: Der Rohbau der Sprach- und Kulturwissenschaften (SKW) ist fertig, das geplante Center for Humanities könnte mit Kunst und Theater das Uni-Schaufenster zur Stadt werden.

• Begehrt - die Kunstpädagogik: Das „Kleine Fach“ sieht sich zwischen Kunstschaffenden und Vermittelnden.

• „Das Erbe der Lynchjustiz spukt nach wie vor in den Köpfen herum“: Ein Gespräch mit dem Amerikanisten Prof. Simon Wendt über Rassismus und Protestbewegung in den USA.

• „Ich bin so gestresst“: Lernräume zu, Nebenjob weg. Auslandsstudium abgesagt – wie die Corona-Krise für Studierende zum Problem wird.

• Ein Haus für die Bürgergesellschaft und die universitäre Community: Dr. Birgit Sander, neue Leiterin des Museum Giersch der Goethe-Universität, im Gespräch.

• Lehre ist für sie Herzensangelegenheit: Die Rechtswissenschaftlerin Prof. Katja Langenbucher im Porträt.

• Die Kinderstube der Honigbienen: Erstmals wurden Videos der kompletten Larvenentwicklung gemacht.

• Weniger Formalitäten und Besprechungen, mehr Austausch: Die chinesische Mineralogin Qiao Shu genießt ihre Arbeit als Gastwissenschaftlerin am Institut für Geowissenschaften.

• Transnational unterwegs – in der Wissenschaft wie im Leben: Wilhelm-Bender-Dissertationspreis für die Politikwissenschaftlerin Eva-Maria Schäfferle.

• Transatlantische Beziehungen neu denken: Die 4. Bad Homburg Conference am Forschungskolleg Humanwissenschaften widmet sich dem belasteten Verhältnis zwischen USA und Europa.

• 20.000 Funde: Die Archäologin Stephanie Döpper hat im Rahmen eines DFG-Projektes mit Studierenden im Oman nach Objekten von der Steinzeit bis heute gesucht.

• „Der NSU-Strafprozess“: Prof. Jörg Arnold über ein gemeinsames strafrechtliches Schwerpunktseminar der Universitäten Münster und Frankfurt.

FRANKFURT. Die Corona-Krise hat vieles verändert – auch in der Arbeitswelt. Die Digitalisierung ist auch hier einen großen Schritt vorangekommen. Defizite bei Ausstattung und Infrastruktur wurden dabei schmerzhaft deutlich, aber auch die Bereiche, in denen analoge Formen des Arbeitens nicht zu ersetzen sind. Die jüngste Ausgabe von „Forschung Frankfurt“, die heute erscheint, trägt den Titel: „Wir in der digitalen Welt – Chancen Risiken Nebenwirkungen“. Darin versammelt ist ein facettenreiches Spektrum an Beiträgen aus der Soziologie, der Rechtswissenschaft, der Psychologie, den Wirtschaftswissenschaften und natürlich auch der Informatik. Den Auftakt macht ein Interview mit der Arbeitssoziologin Friedericke Hardering, die auch Fragen zu den Entwicklungen des zurückliegenden Halbjahres beantwortet.

Deutschland hinke bei der Digitalisierung hinterher, diese weit verbreitete Kritik teilt Hardering – allerdings nur begrenzt: „Es gibt inzwischen durchaus genug Akteure, die Deutschland analog zum Silicon Valley zum Silicon Germany machen wollen. Die Relevanz des Themas wird gesehen.“ Deshalb sieht die Soziologin, die an der Goethe-Universität habilitiert wurde, durchaus optimistisch in die Zukunft. Wobei sie auch den Staat in der Pflicht sieht: „Auch das Silicon Valley hätte es ohne staatliche Hilfe so nicht gegeben: Das ist ja nicht durch die Initiative von Unternehmern entstanden, sondern nur auf der Basis massiver Fördergelder. Ohne eine gute Infrastruktur und die entsprechende Förderung kann es nicht funktionieren.“

Dass analoge Formen des Arbeitens und der Begegnung bald der Vergangenheit angehören könnten, diese Möglichkeit sieht Hardering nicht: „Unter normalen Bedingungen – ohne Corona-Krise – brauchen wir immer eine Verzahnung von Online und Offline, in der Arbeitswelt, aber auch darüber hinaus.“ Denn digitale Technologien seien keineswegs ein Allheilmittel für Krisen jeder Art, sondern sie brächten andere Risiken mit sich. Die in der Corona-Zeit vielgenutzte Möglichkeit des Homeoffice habe Hardering zufolge vor allem gezeigt, wie gespalten die Gesellschaft sei in Bezug auf materielle Ausstattung, aber auch in Bezug auf die Kenntnisse. Die Digitalisierung verschärfe die Ungleichheit zwischen den Menschen weiter.

Unabhängig von der Coronakrise bringt die Digitalisierung auch neue Formen der Arbeitsorganisation hervor, zum Beispiel Crowdworking-Plattformen. Dieser wachsende Bereich stelle auch die Gewerkschaften vor große Herausforderungen: „Soloselbstständigkeit ist ja auch unabhängig von Digitaltechnologie immer ein relativ ungeschützter Bereich mit vielen Unsicherheiten und Prekaritäten.“ Die Frage sei, wie man Soloselbstständige zum kollektiven Handeln bringen könne. Auch in anderer Hinsicht verschärfe die Digitalisierung prekäre Arbeitssituationen. Bei der Rasanz der Entwicklung könnten Regulierungsinstanzen oft nicht mithalten.  

Hardering, die derzeit in einem Projekt zur Entfremdung der Menschen von der Arbeit forscht, spricht im Interview auch darüber, wie sich die Erfahrungen von Beschäftigten in Hinblick auf die Digitalisierung ändern, wie diese sich unter den Bedingungen neuer digitaler Technik die Arbeit aneignen. „Ein Phänomen der Entfremdung wäre zum Beispiel, wenn die Leute davon berichten, dass eine bestimmte Form des Zusammenseins früher in der Arbeit gegeben war, die jetzt, zum Beispiel durch Beschleunigungsprozesse, durch immer höheren Zeit- und Leistungsdruck, nicht mehr da ist“, erklärt die Soziologin. Arbeit sei immer auch ein Ort des sozialen Zusammenseins und somit wichtig für die Weltaneignung.

Auch die sonstigen Beiträge im aktuellen „Forschung Frankfurt“ betrachten die Digitalisierung vor allem unter dem Aspekt der Auswirkungen auf den Einzelnen und die Gesellschaft.

Die aktuelle Ausgabe von „Forschung Frankfurt“ (1/2020) kann von Journalisten kostenlos bestellt werden bei: ott@pvw.uni-frankfurt.de.

Im Web: www.forschung-frankfurt.uni-frankfurt.de.

Informationen: Dr. Friedericke Hardering, E-Mail: f.hardering@soz.uni-frankfurt.de

FRANKFURT. Moderne Mikroskopietechniken gewähren faszinierende Einblicke in Gewebe, Zellen, ja sogar große Moleküle. Doch die Datensätze sind mittlerweile so groß, dass man zu ihrer Interpretation fortgeschrittene Kenntnisse in der Bildanalyse benötigt. Diese wird nun ein interdisziplinäres Graduiertenkolleg an der Goethe-Universität vermitteln, das an der Schnittstelle von Lebenswissenschaften und Informatik angesiedelt ist. Das Vorhaben wird in den kommenden 4,5 Jahren von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

„Hochauflösende Bilder sind heute so komplex, dass es immer schwieriger wird, die darin verborgenen Informationen effektiv auszuwerten“, erklärt Prof. Achilleas Frangakis, Experte für Elektronenmikroskopie am Institut für Biophysik. Gemeinsam mit Prof. Ernst Stelzer, der am Institut für Physikalische Biologie die Lichtscheiben-Mikroskopie etabliert hat, will er Doktoranden aus Biologie, Physik und Informatik nun eine gezielte Forschungsausbildung bieten, die sowohl Kenntnisse in der Mikroskopie als auch in der Informatik vermittelt.

Derzeit erwerben Informatiker und Physiker, die Algorithmen für die Bildanalyse entwickeln, erst gegen Ende ihrer Ausbildung Kenntnisse in den Lebenswissenschaften. Diesen Weg haben Frangakis und Stelzer, beide studierte Physiker, selbst beschritten. „Biologen fehlt es dagegen an Datenverarbeitungskompetenz“, sagt Stelzer. „Sie sind sich relevanter Entwicklungen nicht bewusst und können fortschrittliche Technologien nicht eigenständig einsetzen.“

Im Graduiertenkolleg „Verknüpfung von Bildanalyse und Molekularen Lebenswissenschaften“ sollen die Doktorandinnen und Doktoranden nun das Design, die Konstruktion und den automatisierten Einsatz moderner Mikroskopietechniken in multidisziplinären Arbeiten optimieren. Die Goethe-Universität verfügt über zahlreiche Techniken, mit denen sie eine große Breite von zeitlichen und räumlichen Auflösungen abdeckt: Kryo-Elektronentomographie, hochauflösende und lichtscheibenbasierte Fluoreszenzmikroskopie, Raman-Mikroskopie sowie Multiphotonen-Mikroskopie. Im Graduiertenkolleg lernen die Doktoranden, die großen Datensätze mit modernen Algorithmen zu untersuchen. Geplant ist weiterhin, Algorithmen für teilautonome Bildanalysen und Interpretationen auf Supercomputern zu implementieren.


Weitere Informationen:
Prof. Dr. Achilleas Frangakis,
Institut für Biophysik
Buchmann Institut für Molekulare Lebenswissenschaften
Tel.: (069) 798-46462
E-mail: achilleas.frangakis@biophysik.uni-frankfurt.de

Prof. Dr. Ernst Stelzer
Institut für Physikalische Biologie
Buchmann Institut für Molekulare Lebenswissenschaften
Tel.: (069) 798-42547
E-mail: ernst.stelzer@physikalischebiologie.de

FRANKFURT. Die Wirkstoffe vieler Medikamente sind Naturstoffe, so benannt, weil oft nur Mikroorganismen die komplexen Strukturen herstellen können. Ähnlich wie am Fließband einer Fabrik setzen große Enzymkomplexe diese Wirkstoff-Moleküle zusammen. Einem Team der Goethe-Universität Frankfurt und der Technischen Universität München (TUM) ist es jetzt gelungen, die grundlegenden Mechanismen einer dieser molekularen Fabriken aufzuklären. (Nature Chemistry, DOI: 10.1038/s41557-020-0491-7)

Viele wichtige Medikamente, beispielsweise Antibiotika oder Wirkstoffe gegen Krebs, sind Naturstoffe, die von Mikroorganismen wie zum Beispiel Bakterien oder Pilzen aufgebaut werden. Im Labor können sie diese Naturstoffe oft gar nicht oder nur mit großem Aufwand hergestellt werden. Ausgangsbasis für eine große Zahl solcher Verbindungen sind Polyketide, Kohlenstoffketten, bei denen jedes zweite Atom eine Doppelbindung zu einem Sauerstoffatom besitzt.

In der Zelle eines Mikroorganismus wie des Bakteriums Photorhabdus luminescens entstehen sie mit Hilfe von Polyketidsynthasen (PKS). Um schrittweise die gewünschten Moleküle aufzubauen, arbeiten bei Typ II PKS-Systemen in der ersten Stufe vier Proteine in wechselnden „Teams“ zusammen.

In einer zweiten Stufe werden diese dann durch weitere Enzyme zum gewünschten Naturstoff modifiziert. Beispiele für so hergestellte bakterielle Naturstoffe sind unter anderem die klinisch genutzten Tetracyclin-Antibiotika oder das Krebsmedikament Doxorubicin.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Während die modifizierenden Schritte der zweiten Stufe für viele Wirkstoffe gut untersucht sind, gab es bisher kaum Einblicke in die grundsätzliche Arbeitsweise der ersten Stufe dieser molekularen Wirkstoff-Fabriken, bei der das sehr reaktive Polyketid-Zwischenprodukt am Enzymkomplex gebunden und geschützt vorliegt, so dass es nicht spontan reagieren kann.

Diese Lücke schließen nun die im renommierten Fachjournal Nature Chemistry veröffentlichten Ergebnisse der Kooperation zwischen den Arbeitsgruppen von Michael Groll, Professor für Biochemie an der TU München, und Helge Bode, Professor für Molekulare Biotechnologie der Goethe-Universität Frankfurt.

Erkenntnisse inspirieren zu neuen Wirkstoffsynthesen

„Im Rahmen dieser Arbeit konnten wir erstmals Komplexe der verschiedenen Partner-Proteine der Typ II Polyketidsynthase mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse analysieren und so den ganzen katalytischen Zyklus im Detail verstehen“, erläutert Michael Groll.

„Basierend auf diesen Erkenntnissen wird es in Zukunft möglich sein, gezielt in die zentralen biochemischen Prozesse einzugreifen und damit die Grundstrukturen zu verändern, anstatt sich auf die dekorierenden Enzyme zu beschränken“, ergänzt Helge Bode.

Bis verbesserte Antibiotika und andere Medikamente entstehen ist es zwar ein weiter Weg, aber beide Gruppen sind optimistisch, dass nun auch die noch fehlenden Teile der molekularen Fabrik in Struktur und Mechanismus aufgeklärt werden können. „Wir haben bereits vielversprechende Daten von den weiteren Protein-Komplexen“, sagt Maximilian Schmalhofer, der als Doktorand in München an der Studie beteiligt war.

Die Arbeiten wurden gefördert mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des SPP 1617, des SFB 1035 sowie des Exzellenzclusters Center for Integrated Protein Science München (CIPSM) und des LOEWE Schwerpunkts MegaSyn des Landes Hessen. Röntgenstrukturdaten wurden am Paul Scherrer Institut in Villigen (Schweiz) gemessen. Die Swedish National Infrastructure for Computing stellte Rechenzeit für die theoretische Modellierung zur Verfügung.


Publikation: Alois Bräuer, Qiuqin Zhou, Gina L.C. Grammbitter, Maximilian Schmalhofer, Michael Rühl, Ville R.I. Kaila, Helge B. Bode und Michael Groll: Structural snapshots of the minimal PKS system responsible for octaketide biosynthesis, Nature Chemistry, DOI: 10.1038/s41557-020-0491-7, Link: https://www.nature.com/articles/s41557-020-0491-7

Weitere Informationen:
Goethe-Universität Frankfurt
Prof. Dr. Helge B. Bode
Molekulare Biotechnologie
Fachbereich Biowissenschaften &
Buchmann Institute for Molecular Life Sciences (BMLS)
Tel. +49 (0)69 798 29557
h.bode@bio.uni-frankfurt.de
https://www.bio.uni-frankfurt.de/40690675/Institut_MBW?locale=de

Technische Universität München
Prof. Dr. Michael Groll
Lehrstuhl für Biochemie
Tel.: +49 89 289 13360
michael.groll@tum.de
Web: https://www.department.ch.tum.de/biochemie/

FRANKFURT. Nun ist es für jedermann sichtbar: Die Mikrobiologin Emmy Klieneberger-Nobel, der Atomphysiker Friedrich Hermann Hund und der Chemiker Sir Alexander Todd sind die mit der Goethe-Universität verbundenen Naturwissenschaftler, die drei bislang namenlosen Straßen auf dem Campus Riedberg einen Namen geben.

Der Ortsbeirat 8 hatte sich im Sommer 2018 für die Namensvorschläge der Universität ausgesprochen; nun wurden die neuen Straßennamen Ende Juni mit dem Anbringen der Schilder öffentlich gemacht.

Vizepräsident Manfred Schubert-Zsilavecz, der im Ortsbeirat engagiert für die drei Wissenschaftler geworben hatte, ist froh über diesen Schritt. „Wir erinnern nicht nur an drei hervorragende Forscher, die mit der Goethe-Universität verbunden sind und von denen zwei – Hund und Todd – in die Geschichte ihres Fachs eingegangen sind. Wir würdigen im Fall von Emmy Klieneberger auch eine Frau und Jüdin, die ihre wissenschaftliche Laufbahn nur unter schwersten Bedingungen beginnen und fortsetzen konnte.“

Die Bakteriologin Emmy Klieneberger-Nobel (1892-1985) war die erste Frau, die in den 20er Jahren an der Universität Frankfurt gegen Widerstände von Kollegen habilitiert wurde. Mit ihr wird nicht nur an eine der wenigen Frauen in den Anfängen der Universität erinnert, sondern auch an das Schicksal der jüdischen Universitätsangehörigen im Nationalsozialismus: 1933 wurde der Bakteriologin aufgrund ihrer jüdischen Abstammung die Lehrbefugnis entzogen. Kurz darauf emigrierte sie nach London, wo sie ihre Forschungen bis zu ihrer Emeritierung fortsetzen und sich als Mitentdeckerin der sogenannten Mykoplasmen einen Namen machen konnte. Ihren Namen trägt nun der Weg am Biologicum.

Die campusinterne Verbindung von Physikalischen und Chemischen Instituten ist nach dem renommierten Atomphysiker Friedrich Hund (1896-1997) benannt. Der Assistent Max Borns und Kollege Werner Heisenbergs war von 1951 bis 1957 in Frankfurt Ordinarius für Theoretische Physik. Mit den berühmten „Hundschen Regeln“ über Elektronen prägte er den Wandel der Quantentheorie in den zwanziger Jahren; er gilt ebenso als Entdecker des später sogenannten, für die Entwicklung der Quantenmechanik bedeutenden „Tunneleffekts“.

Die Zufahrtsstraße von der Altenhöferallee in Richtung Biozentrum erinnert an den Chemiker und Nobelpreisträger Sir Alexander Robertus Todd (1907-1997). Der Brite Todd promovierte an der Universität Frankfurt, danach kehrte er nach Großbritannien zurück, wo er nach mehreren Stationen bis zu seiner Emeritierung an der Universität Cambridge lehrte. Alexander Todd war einer der Pioniere der Erforschung der Nukleinsäuren, mit denen er Grundsteine für die moderne Genetik, Biochemie und Molekularbiologie legte. 1957 wurde ihm der Nobelpreis für Chemie verliehen.

Die Entscheidung für die drei Naturwissenschaftler war in der Goethe-Universität bereits Anfang 2015 gefallen. Mit dem Anbringen der Straßenschilder auf dem Campus der Naturwissenschaften kommt der Prozess der Straßenbenennung nun zu einem Abschluss.

 
Bilder zum Download finden Sie unter folgendem Link: http://www.uni-frankfurt.de/89815490

Bildtext:
(Foto Klieneberger) Die Bakteriologin Emmy Klieneberger-Nobel habilitierte sich als erste Frau an der Universität Frankfurt
(Foto Hund) Friedrich Hund war von 1951 bis 1957 Ordinarius am Fachbereich Physik der Universität Frankfurt
(Foto Todd) Sir Alexander Robertus Todd, Nobelpreisträger im Fach Chemie, promovierte an der Goethe-Universität

FRANKFURT. Weil die Tsetse-Fliege die Schlafkrankheit übertragen kann, wird sie in Afrika mit Insektiziden bekämpft oder in Fallen gefangen. Biowissenschaftler der Goethe-Universität Frankfurt haben jetzt ein Verfahren entwickelt, mit dem der Lockstoff für die Fallen in einem biotechnologischen Verfahren in Hefen hergestellt werden kann. Künftig, so hoffen die Frankfurter Wissenschaftler, könnten die Lockstoffe kostengünstig vor Ort in ländlichen Gebieten Afrikas produziert werden. (Scientific Reports, DOI: 10.1038/s41598-020-66997-5)

Südlich der Sahara kommt die Tsetse-Fliege in weiten Teilen Afrikas vor. Die Fliege ernährt sich von menschlichem und tierischem Blut. Dabei kann sie Trypanosomen übertragen, kleine einzellige Organismen, die die Fliege als Zwischenwirt nutzen und bei Mensch und Tier eine gefährliche Entzündung des Lymph- und Nervensystems auslöst. Gegen diese Schlafkrankheit gibt es keine Impfung, unbehandelt führt sie meist zum Tode. In der Landwirtschaft, insbesondere der Rinderzucht, führt die Schlafkrankheit – hier Trypanosomiasis genannt – zu großen Schäden durch krankes und verendendes Vieh.

Neben der Verwendung von Insektiziden gegen Tsetse-Fliegen werden die Insekten in Fallen gefangen. Als Lockstoffe verwendet man unter anderem Substanzen, die auch im Rinderurin vorkommen und Tsetse-Fliegen anlocken. Über chemische Verfahren werden diese Substanzen (chemisch: 3-Ethyl-Phenol und 3-Propyl-Phenol, kurz 3-EP und 3-PP) aus Erdöl-Derivaten oder zum Beispiel aus Extrakten von Cashew-Nussschalen synthetisiert. Beide Verfahren sind aber aufwändig und für ländliche Gemeinschaften in Afrika nicht praktikabel und zu teuer.

In einem Forschungsprojekt des LOEWE-Schwerpunktes MegaSyn ist es Molekularbiologen der Goethe-Universität jetzt gelungen, 3-EP und 3-PP in gentechnisch veränderter Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae) herzustellen. Dabei nutzten sie einen Hefestamm, in dem sie zuvor einen neuen Stoffwechselzweig eingeführt hatten und dessen Zuckerstoffwechsel verändert wurde. Dadurch wurden die Hefen in die Lage versetzt, aus Zucker ähnlich hohe Konzentrationen von 3-EP und 3-PP herzustellen, wie sie in Rinderurin vorkommen.

Doktorandin Julia Hitschler vom Institut für Molekulare Biowissenschaften an der Goethe-Universität erklärt: „Unsere Hefen könnten in Afrika idealerweise in Nährlösungen auf der Basis von pflanzlichen Abfallstoffen, Nahrungsmittel- oder Futterresten wachsen. Damit würde eine Produktion der Lockstoffe annähernd kostenfrei möglich. Derzeit suchen wir Partner, mit deren Hilfe wir unsere Hefen vor Ort testen und der Bevölkerung zur Verfügung stellen können.“

Das Potenzial der neuen Hefen gehe sogar über die Tsetse-Lockstoffe hinaus, ergänzt Prof. Eckhard Boles, Leiter des Projektes. In Zukunft könnten auch andere Substanzen, die bisher aus Erdöl oder Kohle gewonnen werden, durch die neuen Hefen hergestellt werden: „Unsere Hefen könnten zur Erzeugung anderer Alkylphenole als 3-EP und 3-PP weiterentwickelt werden. Solche Alkylphenole könnten zur Produktion von Schmieröladditiven oder oberflächenaktiven Substanzen in Reinigungsmitteln genutzt werden.“

Publikation: Julia Hitschler, Martin Grininger, Eckhard Boles: Substrate promiscuity of polyketide synthase enables production of tsetse fly attractants 3-ethylphenol and 3-propylphenol by engineering precursor supply in yeast. Scientific Reports, https://doi.org/10.1038/s41598-020-66997-5

Informationen:
Prof. Dr. Eckhard Boles
Institut für Molekulare Biowissenschaften
Goethe-Universität Frankfurt
Tel: +49 (0)69 798 29513
e.boles@bio.uni-frankfurt.de
http://www.bio.uni-frankfurt.de/boles